Οι επιστήμονες που μελετούν τα βαρυτικά κύματα πιστεύουν ότι μπορούν να αποκαλύψουν πώς το σύμπαν δημιούργησε τις μεγαλύτερες μαύρες τρύπες του. Αντί να σχηματίζονται απευθείας από αστέρια που έχουν καταρρεύσει, αυτά τα ογκώδη αντικείμενα φαίνεται να αναπτύσσονται μέσα από τις επαναλαμβανόμενες συγκρούσεις μαύρων οπών μέσα σε πολύ γεμάτα αστρικά σμήνη.
Η νέα μελέτη, με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Κάρντιφ, εξέτασε την έκδοση 4.0 του LIGO-Virgo-KAGRA’s Gravitational-Wave Transient Catalog (GWTC4), ο οποίος περιέχει 153 αξιόπιστες ανιχνεύσεις συγχωνεύσεων μαύρης τρύπας.
Οι ερευνητές εστίασαν στο αν οι μεγαλύτερες μαύρες τρύπες στον κατάλογο θα μπορούσαν να είναι αντικείμενα «δεύτερης γενιάς». Σε αυτό το σενάριο, οι μαύρες τρύπες που σχηματίζονται από αστέρια που πεθαίνουν συγκρούονται μεταξύ τους και στη συνέχεια συγχωνεύονται ξανά σε ένα πυκνό αστρικό περιβάλλον όπου τα αστέρια είναι γεμάτα ένα εκατομμύριο φορές πιο σφιχτά από ό,τι γύρω από τον Ήλιο μας.
Αποτελέσματα, δημοσιευμένα Αστρονομία της Φύσηςπροτείνουν ότι οι πιο ογκώδεις μαύρες τρύπες που ανιχνεύονται από βαρυτικά κύματα ανήκουν σε μια ξεχωριστή κατηγορία με πολύ διαφορετική ιστορία από τις μικρότερες μαύρες τρύπες.
Τα βαρυτικά κύματα αποκαλύπτουν δύο πληθυσμούς μαύρων τρυπών
«Η αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων κάνει τώρα περισσότερα από τον υπολογισμό των συγχωνεύσεων μαύρων οπών», εξηγεί ο επικεφαλής συγγραφέας Δρ Fabio Antonini, από τη Σχολή Φυσικής και Αστρονομίας του Πανεπιστημίου του Κάρντιφ.
“Αρχίζει να αποκαλύπτει πώς μεγαλώνουν οι μαύρες τρύπες, πού μεγαλώνουν και τι μας λέει αυτό για τη ζωή και τον θάνατο μεγάλων αστεριών. Αυτό είναι συναρπαστικό γιατί μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις πληροφορίες για να δοκιμάσουμε την κατανόησή μας για το πώς εξελίσσονται τα αστέρια και τα σμήνη στο Σύμπαν.”
Αναλύοντας το σήμα βαρυτικών κυμάτων, η ομάδα εντόπισε δύο διακριτές ομάδες:
- Ένας χαμηλότερος πληθυσμός συμβατός με την κανονική αστρική κατάρρευση
- Ένας υψηλός πληθυσμός του οποίου οι περιστροφές φαίνονται ως αναμενόμενες από διαδοχικές συγχωνεύσεις σε πυκνά αστρικά σμήνη
Οι ερευνητές λένε ότι η συμπεριφορά περιστροφής τεράστιων μαύρων τρυπών είναι ιδιαίτερα αποκαλυπτική.
«Αυτό που μας εξέπληξε περισσότερο ήταν το πόσο ξεκάθαρα ξεχώριζαν οι μαύρες τρύπες υψηλής μάζας ως ξεχωριστός πληθυσμός», θυμάται ο συν-συγγραφέας Δρ Isobel Romero-Shaw, μέλος του Ernest Rutherford στο Πανεπιστήμιο του Κάρντιφ.
“Σε αντίθεση με τα συστήματα χαμηλής μάζας που αναλύσαμε, τα οποία συνήθως περιστρέφονταν αργά, τα συστήματα υψηλής μάζας είναι συνεπή με πιο γρήγορη περιστροφή, με φαινομενικά τυχαίους προσανατολισμούς. Αυτή είναι η ακριβής υπογραφή που θα περιμένατε εάν οι μαύρες τρύπες συγχωνεύονταν επανειλημμένα σε πυκνά αστρικά σμήνη.
“Αυτό κάνει την προέλευση του συμπλέγματος πολύ πιο συναρπαστική από προηγούμενους καταλόγους.”
Στοιχεία Μαύρης Τρύπας “Mass Gap”.
Η έρευνα ενισχύει τα στοιχεία για ένα μυστηριώδες «κενό πρόσληψης» που προέβλεπαν οι αστροφυσικοί εδώ και δεκαετίες. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, τα αστέρια πάνω από ένα ορισμένο μέγεθος πρέπει να εκραγούν τόσο βίαια ώστε να καταστραφούν εντελώς αντί να καταρρεύσουν σε μαύρες τρύπες.
Αυτό θα δημιουργούσε μια απαγορευμένη περιοχή όπου οι μαύρες τρύπες που σχηματίζονται απευθείας από αστέρια δεν θα έπρεπε να υπάρχουν.
Οι ερευνητές εντόπισαν αυτή την αλλαγή σε μια μαύρη τρύπα με μάζα περίπου 45 φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου.
Ο Δρ Αντονίνι είπε: “Στη μελέτη μας βρήκαμε στοιχεία για το προβλεπόμενο χάσμα μάζας αστάθειας ζεύγους — ένα εύρος μάζας όπου τα αστέρια δεν αναμένεται να πάνε πίσω από τις μαύρες τρύπες. Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων έχουν βρει με επιτυχία μαύρες τρύπες που βρίσκονται στο ή κοντά σε αυτό το χάσμα, τις οποίες ανιχνεύουμε σε περίπου 45 ηλιακές μάζες.
«Λοιπόν, το βασικό ερώτημα τώρα είναι μήπως αυτές οι μαύρες τρύπες μας λένε ότι τα μοντέλα μας για την αστρική εξέλιξη είναι λάθος ή δημιουργούνται με άλλους τρόπους;
«Οι πιο ογκώδεις μαύρες τρύπες στο τρέχον δείγμα φαίνεται να μας λένε για τη δυναμική των σμηνών, όχι μόνο για την αστρική εξέλιξη.
“Πάνω από περίπου 45 ηλιακές μάζες η κατανομή του σπιν αλλάζει με τρόπο που είναι δύσκολο να εξηγηθεί μόνο με απλά αστρικά δυαδικά, αλλά εξηγείται φυσικά εάν αυτές οι μαύρες τρύπες έχουν ήδη συγχωνευθεί σε πυκνά σμήνη.”
Οι μαύρες τρύπες μπορούν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να μελετήσουν την πυρηνική φυσική
Οι ερευνητές λένε ότι οι ανακαλύψεις θα μπορούσαν τελικά να βοηθήσουν τους επιστήμονες να διερευνήσουν διαδικασίες βαθιά μέσα σε τεράστια αστέρια.
Η ομάδα χρησιμοποίησε τη μετάβαση κοντά στο χάσμα μάζας για να μελετήσει μια σημαντική πυρηνική αντίδραση που σχετίζεται με την καύση ηλίου στον αστρικό πυρήνα.
«Στο μέλλον, τα δεδομένα βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να μελετήσουν την πυρηνική φυσική, καθώς το όριο μάζας που καθορίζεται από την αστάθεια του ζεύγους εξαρτάται από τις πυρηνικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στους πυρήνες των μεγάλων άστρων», πρόσθεσε η Δρ Φανή Δοσοπούλου, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο του Κάρντιφ.
